utilizando uma nova técnica de medição

Desenvolvendo um sistema de avaliação de Compatibilidade Eletromagnética (EMC)
utilizando uma nova técnica de medição
"Hoje podemos realizar uma avaliação de EMI na
fase de projeto do equipamento eletrônico,
utilizando o instrumento de avaliação de EMI
avançado, de baixo custo e em menor escala e
desenvolvido por nós."
- Naoki Hoshino, PERITEC Inc.
O desafio:
Reduzir os custos e complexidade envolvidos na medição de interferência eletromagnética e ruído durante o projeto de equipamentos eletrônicos.
A solução:
Desenvolver um instrumento utilizando o hardware NI PXI para substituir as câmaras anecoicas que medem o ruído eletromagnético e campos
eletromagnéticos adjacentes, incluindo a informação da fase.
Autor(es):
Naoki Hoshino - PERITEC Inc.
(
http://www.ni.com/gsdawards)
(
http://www.ni.com/gsdawards)
Criando um modelo de simulação eletromagnética
Fornecedores de peças de automóveis e equipamentos médicos contam com os componentes eletrônicos para ajudá-los a obter medições ambientais e
seguras, e oferecem tecnologia de ponta. A proteção contra ruídos é algo crítico para esses componentes eletrônicos essenciais. A miniaturização dos
produtos eletrônicos, a integração de alta densidade e a alta funcionalidade aumentam o ruído de fundo e a susceptibilidade a mau funcionamento.
Fabricantes de equipamentos eletrônicos domésticos possuem uma necessidade particular por sistemas de medição de campo eletromagnético
adjacente de menor custo e menores dimensões e funções de predição de longo alcance.
A PERITEC Inc. recebeu solicitações de fornecedores de peças eletrônicas e automotivas e unidades de pesquisa, através da TAIYO YUDEN Co. Ltda.,
para desenvolver um sistema que atenda a esses requisitos.
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Figura 1. Comparação entre a tecnologia tradicional e a nova tecnologia
Criando um modelo de simulação eletromagnética
Para medir o ruído eletromagnético de longo alcance e determinar os padrões de radiação, as empresas comumente utilizam uma câmara anecoica de
custo e tamanhos elevados. Uma sala de equipamentos custa, aproximadamente, 200 milhões a 2 bilhões de ienes (aproximadamente, 2 a 20 milhões
de dólares) e é difícil de manter, então, as empresas raramente implementam suas próprias câmaras. Isso significa que engenheiros utilizam câmaras
anecoicas em locais autorizados e centros de análise pública, mas essas câmaras possuem um longo período de espera (geralmente, um mês) e preço
elevado.
Recentemente, pesquisadores começaram a realizar experimentos utilizando a simulação para analisar o ruído eletromagnético irradiado, incluindo as
previsões tomadas de pequeno a longo alcance. Porém, produzir um modelo correto para um produto eletrônico real é algo complicado. Quando se está
criando um modelo de simulação eletromagnética, os pesquisadores precisam levar em conta a composição do componente e a conexão detalhada.
Figura 2. Medição de campo eletromagnético de curto e longo alcance
Muitos pesquisadores estão trabalhando para prever os campos eletromagnéticos de longo alcance sem o uso de câmaras anecoicas. Eles medem a
distribuição de campos elétricos e magnéticos adjacentes (incluindo os dados sobre fase) e aplicam o teorema do campo equivalente. Isso elimina a
necessidade de um centro em escala maior, como uma câmara anecoica, e simplifica muito a medição de ruídos. Apesar de haver várias patentes para
esse método, ele ainda não está sendo utilizado em situações práticas.
Esse método para prever campos eletromagnéticos de longo alcance requer um instrumento que possa medir a distribuição de campos elétricos e
magnéticos adjacentes, incluindo a informação sobre fase. Um analisador de espectro consegue apenas medir a frequência e a magnitude do ruído –
não a fase. Por essa razão, ele não pode prever a ação dos campos eletromagnéticos de longo alcance a partir dos campos adjacentes. Atualmente, não
há um instrumento capaz de medir esse tipo de distribuição, assim como a informação de fase. Além disso, não há equipamento que possa exibir a
informação de uma forma que engenheiros possam compreender facilmente.
Configurando o sistema
Nós configuramos nosso sistema com base na tecnologia patenteada da TAIYO YUDEN, que pode medir a frequência de fase do ruído de até 14 GHz.
Para calcular efetivamente o campo elétrico e magnético, baseado na diferença de fase entre os dois sinais de saída de corrente do condutor, é
essencial que sincronizemos as medições de corrente (Figura 3). Nós precisamos de um hardware que pudesse realizar as medições de fase de alta
precisão de até 14 GHz e utilizar um algoritmo de software.
Figure 3. Two Current Signals and Phase Difference
Para implementar isso, utilizamos um NI PXIe-5665 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/209379) um analisador vetorial de sinais RF (VSA) de
alto desempenho. Um NI PXIe-5665 consiste em um conversor descendente NI PXIe-5603 (
http://digital.ni.com/hardref.nsf/websearch/c469fce52aa3ac6986257759004ac378) um sintetizador de oscilador local NI PXIe-5653 (
http://digital.ni.com/hardref.nsf/websearch/6dd349d3a8c606e8862578a9001390a5) e um digitalizador de frequência intermediária NI PXIe-5622 (
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/205611)com 150 MS/s. Para as medições de fase, criamos um sistema para adquirir dois canais de
medição RF sincronizada, utilizando o clock de amostragem da banda base e o oscilador local.
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Figura 4. A amplitude, fase e correlação do RF VSA NI PXIe-5665, de alto desempenho
Adquirindo o ruído eletromagnético adjacente
Utilizando o VSA NI PXIe-5665, adquirimos o ruído eletromagnético adjacente, incluindo a informação de fase, magnitude, direção e posição da unidade
sob teste. De acordo com o teorema de equivalência de eletromagnetismo de Scheikunoff, podemos calcular os campos eletromagnéticos de longo
alcance a partir dessa distribuição de fase de ruído eletromagnético (Figura 5).
Figura 5. Algoritmo para previsão de longo alcance e desenvolvimento através de software
Figura 6. Campos elétricos e magnéticos da antena dipolar
A Figura 6 mostra a medição da distribuição do campo eletromagnético próximo à antena dipolar. De cima até embaixo, o gráfico mostra a magnitude e a
fase do campo elétrico, e a magnitude e a fase do campo magnético.
Há uma forte distribuição de campo elétrico nas duas extremidades da antena dipolar. Também há uma forte distribuição de campo magnético no centro
dela. Podemos compreender melhor as condições de operação da antena utilizando uma exibição animada para mostrar passo a passo as mudanças de
fase.
Por exemplo, a parte superior da Figura 7 indica a distribuição do campo eletromagnético de uma linha de microfita de 50 O, com terminação aberta.
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Figura 7. Campo eletromagnético na linha de microfita
Figure 8. Integrated Circuit Measurement
A figura 8 mostra os resultados da medição de magnitude e fase da distribuição do campo elétrico e magnético no encapsulamento (32 mm x 32 mm) do
circuito integrado (CI) superior. O lado esquerdo mostra a distribuição do campo elétrico, e o lado direito mostra a distribuição do campo magnético. A
distribuição magnética é mostrada no topo da imagem e a fase na parte de baixo da imagem.
O campo eletromagnético no encapsulamento do CI é distribuído a partir do centro do bloco do CI até as bordas. Além disso, os dados de fase nas
bordas são diferentes, pois há diferentes fluxos de sinais. Como resultado, medir a distribuição do campo eletromagnético com dados sobre a fase, assim
como para magnitude, fornece bem mais informações.
Realizando a avaliação da interferência eletromagnética (EMI) na fase de projeto
Às vezes, torna-se inviável avaliar o ruído ou a interferência magnética (EMI) na fase de projeto do equipamento eletrônico, pois ele tipicamente requer
uma grande instalação para avaliação, como uma câmara anecoica, de custo elevado. Para lidar com ruídos, os projetistas são forçados a acrescentar
componentes elétricos, como filtros EMI, que fazem com que os produtos acabados (os circuitos) fiquem maiores. Tradicionalmente, os projetistas
realizavam medições para reduzir o EMI no final do ciclo de desenvolvimento do produto, o que acarretava atrasos no desenvolvimento e aumento dos
custos.
Hoje podemos realizar uma avaliação EMI na fase de projeto do equipamento eletrônico, utilizando o instrumento de avaliação EMI avançado, de baixo
custo e em escala menor desenvolvido por nós. Podemos, então, projetar o equipamento para obter um baixo índice de EMI logo no ciclo de
desenvolvimento, assim, não é necessário estabelecer margens no projeto. Portanto, o componente eletrônico pode ser menor.
Explorando o potencial do novo mercado
Esse sistema compacto e de baixo custo pode fazer medições de EMI, o que, tradicionalmente, requeria um equipamento grande e caro. Planejamos
avaliar ainda mais este sistema, a fim de substituir as câmaras anecoicas e iniciar o desenvolvimento de um padrão internacional.
Informações do autor:
Naoki Hoshino
PERITEC Inc.
[email protected] (mailto:[email protected])
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Campos elétricos e magnéticos da antena dipolar
Informações legais
Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO
ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA
NOS TERMOS DE USO DA NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/ (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/)).
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